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塑性裂紋的位置，判斷是否會出現(xiàn)裂紋。塑性有限元方法很容易求出損傷準(zhǔn)則中需要用到的場量，且其求解方法是在每一個時間增量步上迭代求解，容易計算損傷積累值，因此，有限元法已成為預(yù)測塑性斷裂缺陷的有力工具。

對于塑性斷裂問題，很多學(xué)者進行了這方面的研究工作。該問題的研究目前還處于探索階段，各研究者采用的塑性損傷斷裂理論和實驗手段各不相同，得出了不同的結(jié)論。Clift等學(xué)者認為只有基于變形體單位體積內(nèi)的塑性變形功的塑性損傷斷裂準(zhǔn)則是與實驗結(jié)果相符且較為通用的塑性損傷準(zhǔn)則，而Sowerby等認為最大剪應(yīng)力塑性損傷準(zhǔn)則更為合理［8］。變形體內(nèi)某一部位的塑性損傷是該部位的材料在變形過程各個階段的應(yīng)變速率及各個階段的應(yīng)力狀態(tài)累加的結(jié)果。變形材料在變形過程各個階段的應(yīng)力狀態(tài)對材料的塑性損傷起著重要的作用，對于相同的應(yīng)變值，不同的應(yīng)力狀態(tài)對材料的塑性損傷程度不一樣。基于變形體單位體積內(nèi)的塑性變形功的塑性損傷斷裂準(zhǔn)則沒有體現(xiàn)變形過程應(yīng)力狀態(tài)的積累；而僅考慮變形體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)的塑性損傷準(zhǔn)則沒有計入應(yīng)變對損傷的作用。要準(zhǔn)確地預(yù)測變形體內(nèi)的塑性裂紋，需建立這樣一種塑性損傷模型，既要體現(xiàn)應(yīng)變的積累對塑性損傷值的作用，又要包含應(yīng)力狀態(tài)的積累對損傷值的作用，即具有式(1)基本形式：

式中σmax——變形質(zhì)點的最大拉應(yīng)力
σH——靜水壓力

把這樣一種模型引入有限元模擬過程，可望能預(yù)測不同成形條件下的塑性斷裂缺陷，且預(yù)測結(jié)果和實際成形情況相符。

塑性有限元的模擬結(jié)果能直觀地體現(xiàn)溫鍛變形過程各時刻變形體速度場分布及模具型腔的填充情況，因而易于預(yù)測折疊缺陷，并可根據(jù)模擬結(jié)果改進模具參數(shù)，消除折疊缺陷。

三、溫鍛精密成形過程的研究技術(shù)路線

上海交通大學(xué)塑性成形工程系和上海汽車公司鍛造總廠合作承擔(dān)了上海汽車總公司科學(xué)發(fā)展基金資助的“汽車零件冷、溫鍛精密成形工藝與模具研究”項目。在該項目中，將對汽車工業(yè)中的典型零件(如圖1所示)冷、溫鍛成形過程進行研究，從理論和實踐中總結(jié)出切合實際生產(chǎn)流程的工藝方案及模具設(shè)計最佳方案，并將逐步投入實際生產(chǎn)。

圖1汽車工業(yè)中的典型溫鍛件
(a)內(nèi)星輪(b)外套(c)軸徑(d)極爪

本課題組采用試驗研究和有限元模擬技術(shù)相結(jié)合的方法，對溫鍛精密成形技術(shù)的變形理論進行系統(tǒng)研究，由于塑性有限元理論本身已比較成熟，本課題重點探索溫鍛溫度范圍內(nèi)有別于冷鍛和熱鍛工藝的金屬變形規(guī)律，研究溫鍛成形中可能出現(xiàn)的成形缺陷種類及預(yù)測和消除缺陷的方法，并利用前述基金項目中列出的幾類典型溫鍛精密成形零件驗證溫鍛成形理論。本研究采用圖2所示的技術(shù)路線。

圖2 溫鍛精密成形過程的研究技術(shù)路線

四、典型汽車零件溫鍛精密成形過程的有限元模擬

以汽車中的極爪零件(材料為08F鋼)為例，用三維有限元模擬其溫鍛成形工步，得出了變形過程中材料的流動情況、變形載荷及模具的受力分布，模擬結(jié)果可以為模具結(jié)構(gòu)及其尺寸的選擇提供依據(jù)。

成形極爪零件的爪部展開零件是生產(chǎn)該零件的關(guān)鍵工步，圖3給出了兩種不同溫鍛工藝方案(徑向擠壓和鐓擠)的變形網(wǎng)格圖，圖4給出了這兩種工藝方案的載荷—行程曲線，從圖中曲線可以看出，徑向擠壓時的最大載荷約為鐓擠時的1/2。本研究中改變這兩種工藝的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對溫鍛過程進行模擬，分析得出了兩種方案各自的優(yōu)越性及限制條件，選擇了較合適的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)。模擬結(jié)果很好地指導(dǎo)了該零件的物理模擬試驗。研究結(jié)果提高了該零件實際生產(chǎn)時工藝選擇和模具設(shè)計的可靠程度。

圖3極爪零件溫鍛成形工步的有限元網(wǎng)格
(a)徑向擠壓(b)鐓擠

圖4極爪零件不同溫鍛工藝的載荷—行程曲線

本研究中耦合了模具的彈性變形進行分析，得出了模具工作部分及凹模預(yù)應(yīng)力圈的受力情況，選擇了合適的凸模、凹模及預(yù)應(yīng)力圈材料，并確定了合適的預(yù)應(yīng)力圈層數(shù)、尺寸及預(yù)緊量。

五、結(jié)束語

與熱鍛及單純的冷鍛成形相比，溫鍛成形在技術(shù)和經(jīng)濟效益上具有顯著的優(yōu)越性。采用溫鍛或“溫鍛+冷鍛”精密成形工藝生產(chǎn)汽車中大量使用的軸徑、內(nèi)星輪、外套、齒輪、極爪、聯(lián)軸器等零件是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。基于DEFORM-3D的溫鍛精密成形三維塑性有限元模擬系統(tǒng)可以直觀地分析坯料的變形和模具的受力情況，是優(yōu)化溫鍛成形工藝及模具設(shè)計的強有力工具。

上海汽車工業(yè)總公司科學(xué)發(fā)展基金資助項目
肖紅生，男，28歲，博士研究生
肖紅生（上海交通大學(xué)模具CAD/CAM國家工程研究中心 200030）
林新波（上海交通大學(xué)模具CAD/CAM國家工程研究中心 200030）
張質(zhì)良（上海交通大學(xué)模具CAD/CAM國家工程研究中心 200030）
吳希林（上海汽車公司鍛造總廠） (end)

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